液滴在運(yùn)動(dòng)超疏水表面回彈特性的研究

霍本潔,錢(qián)麗娟,2

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江省智能制造質(zhì)量大數(shù)據(jù)朔源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)

液滴撞擊固體表面是一種廣泛存在的現(xiàn)象,在自然界和日常生活中隨處可見(jiàn),如在飛機(jī)飛行過(guò)程中[1-2]、風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)作[3]、噴霧冷卻[4]、化學(xué)涂層[5]等,學(xué)者們對(duì)此做了很多研究,但大多集中在靜止表面,對(duì)液滴撞擊運(yùn)動(dòng)表面的研究較少。而液滴撞擊運(yùn)動(dòng)表面在自清潔、防結(jié)冰和液滴控制等領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用,因此研究液滴在運(yùn)動(dòng)超疏水表面的回彈有重要意義。

最大鋪展直徑和接觸時(shí)間是衡量表面特性的重要參數(shù)。Mao等[6]研究了在室溫下液滴撞擊固體表面的鋪展和反彈實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)影響液滴最大鋪展直徑的主要因素是液滴的撞擊速度和粘度,影響液滴反彈的主要因素是液滴的粘度和靜態(tài)接觸角。Clanet等[7]發(fā)現(xiàn)液滴在超疏水表面的最大鋪展直徑與韋伯?dāng)?shù)We呈冪函數(shù)關(guān)系。Srivastava等[8]為解釋液膜外圍形成的邊緣,重新計(jì)算了液滴在最大鋪展?fàn)顟B(tài)時(shí)的表面能,并通過(guò)能量守恒公式建立了預(yù)測(cè)液滴最大鋪展直徑的模型。Almohammadi等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出液滴在平動(dòng)表面上呈非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)散的模型。Zhan等[10]發(fā)現(xiàn)液滴撞壁過(guò)程中,液體和運(yùn)動(dòng)平面之間存在一薄薄的空氣層,由于存在粘滯力、毛細(xì)力與慣性力競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致液滴不對(duì)稱(chēng)延伸。無(wú)量綱最大鋪展直徑可由韋伯?dāng)?shù)和毛細(xì)數(shù)決定。

接觸時(shí)間是液滴開(kāi)始接觸表面到液滴剛剛離開(kāi)表面的時(shí)間。在防結(jié)冰等領(lǐng)域中,液滴不應(yīng)與表面長(zhǎng)時(shí)間接觸,因此學(xué)者們使用了很多方法來(lái)減少接觸時(shí)間。Liu在研究液滴撞擊錐狀微結(jié)構(gòu)超疏水表面時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了餅狀回彈現(xiàn)象,水滴在鋪展后,以扁平的煎餅形狀離開(kāi)表面,與傳統(tǒng)完全回彈現(xiàn)象相比,餅狀回彈的接觸時(shí)間減少了四分之一[11-12]。Bird[13]在超疏水表面設(shè)計(jì)了一個(gè)宏觀脊結(jié)構(gòu),液膜在收縮時(shí)產(chǎn)生非均勻速度場(chǎng),實(shí)驗(yàn)表明液滴撞壁后的接觸時(shí)間減少了37%。Chantelot等[14]在超疏水表面設(shè)計(jì)了一個(gè)突起后,發(fā)現(xiàn)液膜從邊緣和中心同時(shí)收縮并發(fā)生環(huán)狀彈跳,由于液滴收縮時(shí)間減少因此接觸時(shí)間也隨之減小。Zhang等[15]對(duì)比研究了液滴對(duì)平動(dòng)和靜止超疏水表面的沖擊動(dòng)力學(xué)。發(fā)現(xiàn)與靜止超疏水表面相比,在移動(dòng)超疏水表面上,液滴接觸時(shí)間減少。Zhan等[10]認(rèn)為液滴撞擊超疏水表面時(shí),表面速度越大接觸時(shí)間越少。

前人對(duì)液滴撞擊固體表面的最大鋪展直徑和接觸時(shí)間做了充足的研究,但對(duì)液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面的研究較少,研究并不充分。本文討論了液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面時(shí)表面速度與最大鋪展直徑的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步分析了收縮時(shí)間減小的原因,最后通過(guò)速度恢復(fù)系數(shù)分析了液滴的能量變化。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖1顯示了液滴撞擊移動(dòng)超疏水表面的實(shí)驗(yàn)裝置,包括液滴發(fā)生器、線性滑動(dòng)平臺(tái)模塊和圖像捕捉系統(tǒng)。液滴發(fā)生器由一個(gè)微型注射器泵(LSP02-1B)、一個(gè)注射器和一個(gè)可升降臺(tái)組成。微型注射器泵以恒定的速度推動(dòng)注射器,可穩(wěn)定產(chǎn)生大小均勻液滴,并撞擊目標(biāo)基板。法線撞擊速度Vn隨著液滴滴落高度的改變而發(fā)生變化。線性滑動(dòng)模塊由伺服電機(jī)、伺服控制器和線性導(dǎo)軌(無(wú)錫迪恩斯傳動(dòng)技術(shù)有限公司,HS80-TBD-SF60-500)組成,導(dǎo)軌上的基質(zhì)以特定速度Vs(0.1～1.5 m/s)移動(dòng)。圖像采集系統(tǒng)包括一個(gè)高速攝像機(jī)(Fastcam Mini AX 100-C),一個(gè)顯微鏡鏡頭(Raynox DCR-250),和一個(gè)無(wú)頻閃LED聚光燈,以捕捉液滴撞擊超疏水表面的快照。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 A schematic diagram of the experimental setup

1.2 表面的制備和表征

超疏水表面由紫銅基板加工而成,基板尺寸為20 mm×100 mm×3 mm。將基板依次放在丙酮、無(wú)水乙醇、鹽酸中進(jìn)行超聲波清洗和除銹,最后用蒸餾水和無(wú)水乙醇再次清洗。然后將納米超級(jí)干涂料(NC319 NeverWet, Ultra every dry)噴涂在基板上,在20～25 ℃的室溫下放置2 h晾干基板,重復(fù)噴涂和靜置操作3次完成超疏水表面的制備。用接觸角測(cè)量?jī)x(承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備有限公司的JY-82C)測(cè)量水滴在表面的接觸角,靜態(tài)接觸角θe=152°,滾動(dòng)角θG=8°,接觸角和表面形貌如圖2。

圖2 超疏水表面的靜態(tài)接觸角與形貌圖像Figure 2 The static contact angle and morphology images of superhydrophobic surfaces

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

如圖3(a)所示為液滴撞擊靜止超疏水表面的實(shí)驗(yàn)圖,圖3(b)顯示了液滴以0.63 m/s速度撞擊移動(dòng)速度為0.75 m/s超疏水表面上的鋪展和收縮過(guò)程。圖3(c)展示了液滴離開(kāi)表面后在空中的運(yùn)動(dòng)形態(tài),紅色箭頭為表面的運(yùn)動(dòng)方向,且該圖中液滴實(shí)驗(yàn)工況與圖3(b)一致。如圖3(b),液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面時(shí),切向動(dòng)量的存在使液滴在撞擊時(shí)受到壁面剪力的作用,使接觸線在沿表面的運(yùn)動(dòng)方向上鋪展得更為迅速。當(dāng)液滴在接觸表面后,上層液體仍然是球狀,下層液體在表面剪切力的作用下層層鋪展,液滴在達(dá)到最大鋪展時(shí)液滴輪廓呈現(xiàn)由半圓和半橢圓組成的幾何結(jié)構(gòu)。在回縮階段(t*=0.82后,回彈前),液滴的回縮是不對(duì)稱(chēng)的,運(yùn)動(dòng)表面帶動(dòng)下游液滴運(yùn)動(dòng),而在慣性力和表面張力的作用下液體往上層移動(dòng),使得上游液體體積較大,而下游體積較小如圖4。如圖3(c),液滴在回彈后,液滴在空中振蕩并沿表面運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng),最后落回表面,振蕩過(guò)程中液滴是不對(duì)稱(chēng)的,振蕩也不在豎直和水平方向上,而是以?xún)A斜的角度振蕩,這是因?yàn)橐旱螐倪\(yùn)動(dòng)表面回彈時(shí)液滴就是傾斜的,由不對(duì)稱(chēng)的表面張力所導(dǎo)致。前人的研究也報(bào)道了撞擊液滴的不對(duì)稱(chēng)鋪展和收縮行為,不僅在移動(dòng)的親水表面[16]和疏水平面上[17]存在,而且在傾斜[18]、彎曲表面[19]或宏觀紋理表面上[20]均存在這一現(xiàn)象。但是不對(duì)稱(chēng)行為導(dǎo)致的接觸時(shí)間的縮短只發(fā)生在超疏水平面上[21-22],同時(shí)對(duì)液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面接觸線的長(zhǎng)度和速度恢復(fù)系數(shù)的研究較少。因此在下文討論了液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面的最大鋪展直徑和速度恢復(fù)系數(shù)。

圖3 液滴撞擊壁面的形態(tài)變換Figure 3 The morphological transformation of droplets impacting the wall

圖4 液滴接觸運(yùn)動(dòng)超疏水表面的示意圖Figure 4 Schematic diagram of a droplet contacting a moving superhydrophobic surface

2.2 鋪展

液滴在運(yùn)動(dòng)超疏水表面上的鋪展由于受到表面剪切力的作用而呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)鋪展,沿著表面運(yùn)動(dòng)方向的接觸線變長(zhǎng),而垂直表面運(yùn)動(dòng)方向的接觸線長(zhǎng)度不變,Zhan等[10]和Zhang等[15]發(fā)現(xiàn)液滴在垂直于表面運(yùn)動(dòng)方向上的最大鋪展直徑與靜止表面基本一致,不隨表面速度的變化而變化。液滴沿著表面運(yùn)動(dòng)方向的接觸線長(zhǎng)度由兩個(gè)因素決定:液滴的初始動(dòng)能,液滴的初始動(dòng)能越大,液滴的鋪展直徑越大;表面的運(yùn)動(dòng)速度即表面對(duì)液滴的剪切力,表面剪切力的存在使液滴在沿表面運(yùn)動(dòng)方向上層層鋪展。表面剪切力來(lái)源于表面對(duì)液滴的粘附力,當(dāng)液滴撞擊表面時(shí),液滴與表面間的固液接觸部分,液滴會(huì)與表面發(fā)生一定的粘附,這種粘附作用在表面運(yùn)動(dòng)時(shí)可以拉伸液滴,使液滴的最大鋪展直徑增大。我們觀察到在鋪展階段,液滴的頂點(diǎn)在水平方向是靜止的,不會(huì)隨著基板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),如圖5中虛線表示液滴頂點(diǎn)的位置。表面剪切力只影響與表面直接接觸的下層液體,而上層液體不會(huì)隨著基板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)[9]。

圖5 液滴的鋪展過(guò)程圖Figure 5 Experimental diagram of deoplet spreading

圖6 D*隨Vs和Wen的函數(shù)變化圖Figure 6 Variation of the D* as a function of Vsand Wen

(1)

圖7 拉伸長(zhǎng)度S*與Wen的關(guān)系Figure 7 Variation of the tensile length S* as a function of Wen

(2)

(3)

則拉伸長(zhǎng)度S*,可表示為

(4)

將式(4)代入式(1),可以得到以下修正后的下落撞擊的無(wú)量綱最大鋪展直徑表達(dá)式:

(5)

將Vs=0.1～0.7 m/s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,確定適合本實(shí)驗(yàn)的標(biāo)度因子c=0.000 08。為了保證c的可靠性,使用Vs=0.75 m/s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖8中的數(shù)據(jù)點(diǎn)所示,數(shù)據(jù)點(diǎn)為模型預(yù)測(cè)值除以實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,可以看出模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。切向最大鋪展直徑可表示為

圖8 D*的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的比較Figure 8 Comparison between the measured and predicted values of D*

(6)

2.3 接觸時(shí)間

圖9顯示了在不同Wen下,無(wú)量綱接觸時(shí)間t*隨表面運(yùn)動(dòng)速度Vs的變化關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)接觸時(shí)間均在2.5左右附近,t*與Wen無(wú)關(guān)[26],但t*隨Vs的增加而略微減少[27],這說(shuō)明接觸時(shí)間主要受表面移動(dòng)速度的影響。為進(jìn)一步闡明表面速度Vs對(duì)接觸時(shí)間t*作用,將其分解為鋪展時(shí)間τs和回縮時(shí)間τr。如圖10,可以發(fā)現(xiàn)鋪展時(shí)間數(shù)值大致相同,收縮時(shí)間隨著表面速度的增加而縮短,這表明接觸時(shí)間縮短的主要原因是收縮時(shí)間減小,也就是說(shuō),液滴鋪展后收縮速度變快了。從圖11中Wen=15.1,Wes=21.7的右側(cè)曲線斜率較大,也可以看出表面速度越大,液滴收縮得越快。Zhang等[15]得出收縮時(shí)間的模型為τr=τr0(dx/dy)1/2,dx和dy分別是垂直于表面運(yùn)動(dòng)方向的鋪展直徑和平行于運(yùn)動(dòng)方向的鋪展直徑,τr0是液滴撞擊靜止表面的收縮時(shí)間。他們認(rèn)為該模型與實(shí)驗(yàn)的偏差來(lái)源于收縮速度不恒定,事實(shí)上該模型忽略了下游液體的影響,而假定只有上游液體收縮。因此本文認(rèn)為計(jì)算誤差來(lái)自下游液體,下游液滴受到表面對(duì)其的影響而導(dǎo)致上游液體收縮速度增加。因此由于液膜厚度減小以及在下游液體的作用下,使得液滴的回縮時(shí)間減小。

圖9 t*與Wen的函數(shù)變化圖Figure 9 Variation of the normalized contact time t* as a function of Wen

圖10 鋪展時(shí)間τs和收縮時(shí)間τr隨Wen的變化Figure 10 Variation of the spreading time τs(hollow dots) and retraction time τr(solid dots) with Wen

圖11 平行于表面運(yùn)動(dòng)方向上的鋪展長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化Figure 11 Spreading length over time in the directions parallel to the surface motion

2.4 速度恢復(fù)系數(shù)

圖12 不同表面速度Vs下Wen對(duì)εn的影響Figure 12 εnversus Wen at several different surface velocities Vs

圖13 不同的表面速度Vs下εt與Wen的關(guān)系Figure 13 εtversus Wen at several different surface velocities Vs

3 結(jié) 語(yǔ)

本文討論了液滴撞擊運(yùn)動(dòng)超疏水表面時(shí),超疏水表面的運(yùn)動(dòng)速度Vs和法向韋伯?dāng)?shù)Wen對(duì)最大鋪展、接觸時(shí)間和速度恢復(fù)系數(shù)的影響,并分析液滴回彈的機(jī)理,得到了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,具體結(jié)果如下。

液滴撞擊超疏水運(yùn)動(dòng)表面過(guò)程中,液滴達(dá)到最大鋪展時(shí)呈現(xiàn)為半圓和半橢圓組成的幾何結(jié)構(gòu)。無(wú)量綱最大鋪展直徑D*受兩個(gè)因素決定:液滴的初始動(dòng)能和從基板轉(zhuǎn)移到固液接觸下層液體的動(dòng)能,后者沿表面運(yùn)動(dòng)方向拉伸液滴,使液滴層層鋪展。液滴沿表面速度方向的鋪展受剪切力的影響,拉伸長(zhǎng)度與液滴的撞擊速度和表面速度有關(guān)。表面運(yùn)動(dòng)速度越大,接觸時(shí)間越小。收縮時(shí)間減小導(dǎo)致接觸時(shí)間減小,而鋪展時(shí)間不受表面運(yùn)動(dòng)速度的影響。液膜變薄和下游液體的作用使收縮速度增加,縮短了收縮時(shí)間。